綜采面過大落差斷層采場穩定性及高效撤架技術

張洪鋒,鄧海富

(1.大同煤礦集團 安全管理監察局,山西 大同 037000;2.山西煤炭進出口集團 河曲舊縣露天煤業有限公司,山西 河曲 036500)

斷層構造嚴重影響巷道、工作面乃至整個礦井生產系統布置[1],回采過程中常需要延長或縮短工作面以適應地質條件變化,使得回采中出現不規則工作面。斷層作為巖體介質中的弱面,回采中可能出現冒頂、突水和沖擊地壓等事故[2],在大落差斷層附近實現工作面支架的安全撤除與安全通過,對工作面安全高效開采具有重要意義。

有關學者對斷層特征、回采影響進行大量研究,但對大落差斷層條件下不規則工作面的高效開采研究較少[3]。本文采用現場調研、數值模擬以及現場工業實驗相結合的方法,分析了某煤礦4301綜放工作面10 m落差斷層附近工作面頂底板活動規律,提出了在工作面縮面過程中的支架撤除工藝及頂板控制技術,為類似條件工作面安全高效回采提供借鑒。

1 生產地質條件

某礦4301綜放工作面為不規則的邊角煤工作面,主采煤層厚度1.1 m ～6.5 m,平均厚度4.07 m,煤層上方為平均厚度14.68 m的細砂巖及中砂巖,采用走向長壁綜采放頂煤開采,推進長度為1 294.1 m。4301綜放工作面掘進期間在回采范圍內共揭露21條正斷層,最大落差10 m,其中貫穿工作面的三條斷層分別為SF429、SF431、SF440,發育在該工作面的中部,落差分別為3.5 m、10.0 m、2.9 m,對回采影響較大。

工作面分為兩個塊段回采,第一塊段推進長度為880 m,凈面長203.70 m;第二塊段推進長度為414.1 m,凈面長120 m。

2 大落差斷層區頂板活動規律

2.1 模型建立及方案

采用UDEC4.0軟件對正斷層情況下,工作面從斷層上盤向斷層推進過程中采場圍巖應力場分布、塑性破壞及位移變化規律進行研究。

根據該礦4301綜放工作面生產地質條件,建立數值計算模型,見圖1。模型長200 m,高90 m,模擬的斷層角度70°,斷層落差10 m。分析工作面從斷層上盤向斷層推進時,距SF431斷層40 m、30 m、20 m和10 m時采場應力變化規律;通過斷層時,工作面塑性區及位移場分布規律;通過斷層后,距SF431斷層10 m、20 m、30 m和40 m時采場應力變化規律。

圖1 工作面過斷層區數值計算模型Fig.1 Numerical simulation of the working face crossing the fault

2.2 數值計算結果

2.2.1 斷層對工作面支承壓力分布特征的影響

工作面向SF431斷層推進時工作面煤體超前支承壓力峰值分布情況如表1所示,工作面向SF431斷層推進時的應力場分布見圖2。

由表1和圖2可以看出,當工作面離SF431斷層40 m時,超前支承壓力最大值為23.04 MPa,距離工作面煤壁9.5 m,應力集中系數為1.75。隨著工作面向SF431斷層進一步推進,應力峰值逐步升高,斷層對工作面超前支承壓力的影響逐步增加,當工作面距離SF431斷層20 m時,應力峰值上升到27.22 MPa,應力集中系數達到2.06,應力峰值位置距煤壁6.5 m。當工作面距離SF431斷層10 m時,應力集應力峰值上升到29.18 MPa,應力集中系數達到2.28,應力峰值位置距煤壁4.0 m。

表1 工作面煤體超前支承壓力峰值分布Table 1 Peak distribution of advance abutment pressure

圖2 工作面向SF431斷層推進時的應力場分布(距斷層10 m)Fig.2 Stress field distribution when the working face advancing toward the SF431 fault (10 m from the fault)

可見斷層不僅影響垂直應力峰值,還影響支承壓力的分布形式和分布范圍,應力峰值隨工作面距斷層距離的變小而增大并向煤壁轉移,最小距離煤壁4.0 m,這使得斷層區域煤壁片幫和發生沖擊地壓的可能性增大。因此,在工作面過斷層中要采取相應的措施加以預防。

當工作面推過斷層面完全進入斷層上盤后,由于斷層面進一步拉裂和滑動,不能完全把覆巖重量轉移到回采工作面前面,使煤壁垂直應力減小,但之后不久,工作面面臨著頂板大范圍巖層懸臂回轉變形破斷的影響,將導致垂直應力變大,頂板出現強烈來壓。

2.2.2 工作面過斷層期間采場圍巖塑性區及位移場分布

當工作面以15°仰角從斷層上盤過渡到下盤,通過斷層時(見圖3),圍巖破壞嚴重,斷層上、下盤之間由“黏接”狀態轉化為“斷開”狀態,斷層上盤沿斷層面拉伸下沉,兩盤出現相對位移(見圖4),工作面前方塑性區擴展到斷層下盤煤層,此時需特別注意工作面頂板的維護。

圖3 工作面通過斷層時采場圍巖塑性區分布Fig.3 Plastic zone distribution of stope surrounding rock when working face crossing the fault

圖4 工作面過斷層時圍巖位移場分布Fig.4 Displacement distribution of surrounding rock when working face crossing the fault

3 斷層區不規則工作面支架撤除方案

分析10 m落差斷層區域特征,結合現場實際,分別制定工作面過斷層以及工作面支架撤除方案[4]。

SF431斷層特征:1)斷層在膠帶順槽揭露,落差10.0 m,屬于落差較大的斷層;2)斷層與工作面夾角70°,隨工作面向前推進逐漸向膠帶順槽延伸;3)斷層面平滑,無破碎帶;4)斷層影響貫通整個工作面。圖5為SF431斷層的剖面圖。

圖5 SF431斷層剖面圖Fig.5 Profile of the SF431 fault

3.1 工作面過斷層技術方案分析

過SF431斷層有兩種方案可供選擇:

1)進行系統改造,沿斷層走向重開新切眼。優點是減少斷層對工作面的影響,保護綜采設備。缺點是影響工作面的接續,需開一條切眼,搬家、撤面和重新安裝工作面成本較高;降低了資源回收率。

2)采用爆破法直接通過斷層。優點是不僅能避免工作面搬家所帶來的工期延長和經濟損失,而且延長了工作面走向長度,提高了回采效率,減少了巷道掘進量,比第一種方案可縮短工期。缺點是過斷層時由于斷層交接面處頂板巖石破碎,很容易造成工作面冒頂,而且爆破時很容易損壞采煤機、運輸機等機電設備。

雖然SF431斷層與工作面夾角較大,但是煤層頂底板多為中細砂巖,巖性較好,便于頂板管理,工作面不需要另開切眼和縮短長度。另外,可以制定相關措施加強對機電設備的保護。綜合分析,決定采用直接通過的方法過SF431斷層。

3.2 支架撤除工藝

4301綜放工作面推進至810 m時,輔順機尾揭露SF431斷層,137#-97#架全巖放松動炮通過。SF431斷層隨工作面推進逐漸向膠帶順槽機頭方向延伸,當工作面推進至830 m時，工作面煤壁距膠順二段35.9 m。當工作面推進至880 m時,為躲避SF431斷層且自膠帶順槽向輔助順槽84 m為無煤區,需撤除53組中間架、3組端頭架和前部運輸機中間槽、后部運輸機中間槽各56節。在10 m落差斷層附近工作面縮面施工順序如下:

拆開前部運輸機刮板鏈→撤除前部運輸機多余刮板鏈及溜槽→撤除55#、56#中間液壓支架→拆開后部運輸機刮板鏈→撤除后部運輸機多余刮板鏈及溜槽→前、后部運輸機偏線槽、抬高槽、過渡槽和機頭部東移后進行合茬→遷移轉載機和超前掩護支架至膠順→撤除1#-54#液壓支架→撤除和回收工作面縮面所使用的絞車、臨時泵站和其它設備→延長2#膠帶輸送機至膠順尾轉載機頭處→拖運并連接前后部運輸機機頭部、轉載機、破碎機和采煤機動力電纜→工作面試運轉。

工作面縮面工作量如表2所示。

表2 工作面縮面工作量Table 2 Shrinking workload of working face

4 工業性試驗

2017年6月10日至6月27日共17 d的現場工業性試驗,4301綜放工作面在10 m落差斷層附近實現安全快速縮面撤架,克服了不規則工作面開采中地質及生產技術條件復雜多變的不利影響。

工作面過10 m落差斷層帶來的經濟效益。工作面直接通過斷層開采與重新開切眼開采相比較:

1)少掘一條通道,節省通道掘進費:120 m×0.6萬元/m=72萬元。

2)節省了斷層保護煤柱,按斷層上下盤各留15 m煤柱計算，可得煤炭資源108 000 t,直接通過斷層按30%回收率計算，可多回收煤炭資源54 000 t。按原煤價格500元/t計算,創收162萬元。

同時,17 d內安全高效地完成了4301綜放工作面的縮面工作,比要求提前了3 d,按每天生產原煤7 000 t計算,當月提高21 000 t原煤產量,按原煤價格500元/t計算,共創收105萬元。

5 結論

1)斷層影響垂直應力峰值、分布形式和分布范圍,應力峰值增大并向煤壁轉移。當工作面距離SF431斷層10 m時,應力峰值上升到29.18 MPa,應力集中系數達到2.28,應力峰值位置距煤壁4.0 m。

2)工作面通過斷層時,圍巖破壞嚴重,斷層上、下盤之間由“黏接”狀態轉化為“斷開”狀態,斷層下盤沿斷層面拉伸下沉,兩盤出現相對位移,工作面前方塑性區擴展到斷層下盤煤層,范圍為4.4 m,此時需特別注意工作面頂板的維護。

3)當工作面推過斷層面,完全進入斷層上盤時,由于斷層面進一步拉裂和滑動,不能完全把覆巖重量轉移到回采工作面前面,使煤壁前方及其頂板巖體中壓力減小,頂板冒落高度減小,但之后不久,工作面面臨著頂板大范圍巖層懸臂回轉變形破斷的影響,將導致頂板壓力變大,頂板出現強烈來壓。

4)綜合分析,決定采用“割頂留底”的方法通過工作面斷層區域。工作面推進至880 m時,為躲避SF431斷層且自膠帶順槽向輔助順槽84 m為無煤區,需撤除53組中間架、3組端頭架、前部運輸機中間槽和后部運輸機中間槽各56節。